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2012 Fiscal Year Annual Research Report

毎秒1000コマ撮影可能な化学イメージセンサの開発と反応ダイナミクス解析への応用

Research Project

Project/Area Number 24310098
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

吉信 達夫  東北大学, 大学院・医工学研究科, 教授 (30243265)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 宮本 浩一郎  東北大学, 大学院・工学研究科, 助教 (70447142)
Project Period (FY) 2012-04-01 – 2016-03-31
Keywords化学センサ / 化学イメージ / 反応ダイナミクス
Research Abstract

本研究は、溶液・ゲル・細胞・生体組織などの試料をセンサ面上に載せるだけで、試料内のイオン分布を毎秒1,000コマのスピードで動画撮影することができる、従来にはない新しいタイプの半導体化学/バイオセンサシステムの実現と、このセンサシステムによって得られる動画データを用いた、反応ダイナミクス解析の新しい手法の開発を目的としている。本年度は高周波動作センサの設計のためのデバイスシミュレーションと、高速スキャンシステムに必要な光源アレイの開発を行った。
高速のイオン動画撮影を実現するためには、周波数多重度を上げて多点測定の数を増やすアプローチが有望である。そのため、より広い周波数帯域を持つセンサ基板と、高い変調周波数を使用できる測定系が必要であるが、従来のセンサ基板は、半導体中におけるフォトキャリア拡散の高周波遮断特性に制限されていた。そこで、半導体層における光の吸収とフォトキャリアの拡散を考慮したデバイスの物理モデルを構築して計算機シミュレーションを行い、高周波動作が可能なセンサ厚さ、ドーピング、絶縁層の種類、光の波長などを求めた。
また、センサ上の多くの位置から同時に信号を読み出すための光プローブとして、それぞれ異なる周波数で変調可能な64個のLEDアレイと光ファイバからなる光源を試作した。光ファイバの端部は任意のレイアウトが可能であり、試料の形状にあわせて測定ポイントを設定することができる。本年度は毎秒200コマでのpHイメージングを達成し、10msec以下の時間分解能で化学反応の動画を取得し、また微小流路内部での溶液の置換やイオンの拡散を解析することに成功した。さらに多点での同時測定のため、FPGAを用いた制御・測定回路を設計・試作した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

高周波動作センサの設計については当初予定通りに進捗している。光源アレイの開発については、当初予定していたVCSEL(面発光レーザ)アレイの替わりにLEDと光ファイバを用いたシステムに変更した。このことによって、当初予定では2年目以降に予定していた微小流体デバイスへの応用の実験を前倒しで実施することができた。最終目標は毎秒1,000コマの動画測定であるところ、現時点で毎秒200コマの動画測定を達成している。

Strategy for Future Research Activity

研究計画に大きな変更は無いが、一部前倒しで進捗しているので、開発したセンサシステムの応用に関する研究を早めに実施する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

物品費のうちVCSELアレイの費用として計上していた20万円が設計変更に伴って不要となったが、次年度において代替のLEDアレイをVCSELアレイと同程度に高密度化した基板を製作する必要があり、その費用に充てる。
また、海外共同研究者のグループとの研究打合せ旅費として60万円を計上していたところ、本年度は先方が別の予算で来日したため、当方からの渡航時期を次年度に変更した。

  • Research Products

    (10 results)

All 2013 2012

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (8 results)

  • [Journal Article] High-speed chemical imaging system based on front-side-illuminated LAPS2013

    • Author(s)
      A. Itabashi, N. Kosaka, K. Miyamoto, T. Wagner, M. J. Schoning, T. Yoshinobu
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B

      Volume: 182(掲載確定) Pages: 315-321

    • DOI

      10.1016/j.snb.2013.03.016

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High speed and high resolution chemical imaging based on a new type of OLED-LAPS set-up2012

    • Author(s)
      C. F. Werner, T. Wagner, K. Miyamoto, T. Yoshinobu, M. J. Schoning
    • Journal Title

      Sensors and Actuators B

      Volume: 175 Pages: 118-122

    • DOI

      10.1016/j.snb.2011.12.102

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] バンドルファイバ光源と64点同時測定による高速化学イメージセンサの開発2013

    • Author(s)
      板橋彰徳, 宮本浩一郎, Torsten Wagner, 吉信達夫
    • Organizer
      第54回化学センサ研究発表会(電気化学会創立第80周年記念大会シンポジウム)
    • Place of Presentation
      東北大学
    • Year and Date
      2013-03-31
  • [Presentation] スピンコート法による光アドレス電極製作の検討2013

    • Author(s)
      菊池敏次, Torsten Wagner, 宮本浩一郎,吉信達夫
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学
    • Year and Date
      2013-03-30
  • [Presentation] 半導体化学イメージセンサ~近年の進展とその応用例~2013

    • Author(s)
      宮本浩一郎, 吉信達夫
    • Organizer
      日本鉄鋼協会 第165回春季講演大会
    • Place of Presentation
      東京電機大学(招待講演)
    • Year and Date
      2013-03-27
  • [Presentation] Development of the system for multi-channel TER measurement2012

    • Author(s)
      K. Miyamoto, J. Han, T. Yoshinobu, H. Isoda
    • Organizer
      The 25th Annual and International Meeting of the Japanese Association for Animal Cell Technology(JAACT2012)
    • Place of Presentation
      名古屋
    • Year and Date
      2012-11-30
  • [Presentation] High-Resolution and High-Speed Chemical Imaging Sensor Based on Optical Fiber Array2012

    • Author(s)
      K. Miyamoto, N. Kosaka, T. Wagner, T. Yoshinobu
    • Organizer
      2012 International Conference Oil Solid State Devices and Materials (SSDM 2012)
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2012-09-26
  • [Presentation] Light-Addressable Potentiometric Sensor and Light-Addressable Electrodes as a Combined Sensor-and-Manipulator Microsystem with High Flexibility2012

    • Author(s)
      T. Wagner, N. Shigihara, K. Miyamoto, J. Suzurikawa, F. Finger, M. J. Schoning, T. Yoshinobu
    • Organizer
      Eurosensors XXVI
    • Place of Presentation
      クラクフ, ポーランド
    • Year and Date
      2012-09-10
  • [Presentation] Chemical Imaging of Ion Diffusion in a Microfluidic Channel2012

    • Author(s)
      K. Miyamoto, H. Ichimura, T. Wagner, T. Yoshinobu, M. J. Schoning
    • Organizer
      Eurosensors XXVI
    • Place of Presentation
      クラクフ, ポーランド
    • Year and Date
      2012-09-10
  • [Presentation] High-Speed Chemical Imaging System Based on Front-Side-Illuminated LAPS2012

    • Author(s)
      A. Itabashi, N. Kosaka, K. Miyamoto, T. Wagner, T. Yoshinobu
    • Organizer
      The 14th International Meeting on Chemical Sensors (IMCS 2012)
    • Place of Presentation
      ニュルンベルク, ドイツ
    • Year and Date
      2012-05-23

URL: 

Published: 2014-07-16  

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